Hunyadi László statikus tervező Pál Gábor igazgató Speciálterv Kft. TÓPARK BERUHÁZÁS ÖSZVÉRSZERKEZETŰ FELÜLJÁRÓ TERVEZÉSE AZ M1 AUTÓPÁLYA FELETT TÓPARK PROJECT COMPOSIT OVERPASS ABOVE THE M1 MOTORWAY A Tópark beruházás keretében a létesítményeket kiszolgáló, új közúti kapcsolatok tervezése és építése vált szükségessé. Cikkünk témája az M1 autópálya feletti, erősen íves alaprajzú és egyedi támaszelrendezésű vasbeton pályalemezzel együttdolgozó, acél főtartós hídszerkezet tervezése, az acélszerkezet gyártása és szerelése. A beruházás befejezését a pénzügyi válság sajnos megakadályozta, azonban a híd szerkezete elkészült, és annak egyedi kialakításait és az azokhoz vezető szerkezeti döntéseket mutatjuk be írásunkban. At the Tópark project in Törökbálint, the design and construction of new highway connection became necessary. The design of composite bridge over Highway M1 with strongly curved horizontal alignment and with extraordinary arrangements of supports is the theme of this paper, including the production and assembly of the steel structure. Although the completion of the project was inhibited by the global economical crisis, the structure of the bridge was completed. The special bridge structure and the structural decisions behind the design are shown in this paper. ELŐZMÉNYEK, ENGEDÉLYEZÉSI TERVEK Az M1 M0 autópályák csatlakozásánál épül a Tópark városrész. Az új épületek kiszolgálásához új közúti kapcsolat létesül első lépésben az M1, majd később az M0 autópályával. Az M1 csatlakozásnál annak Győr felé haladó szélső sávja kerül kibővítésre, és e sáv elhúzásával, majd az autópálya feletti befordításával létesült az ún. M-ági felüljáró (1. kép). Az M -ág a 15 + 011,63 km-szelvényben keresztezi az M1 autópályát, az ív a keresztezési pontban az autópálya tengelyével 46 -os szöget zár be. Az 100 m sugarú ívben létesítendő híd vázlat- és engedélyezési tervei 2002 és 2004 között készültek. Tekintettel a kis sugarú ívre és a keresztezési szögből és az átvezetett útpályából adódó több mint 40 m-es támaszközre az üzemelő pálya feletti működést legkevésbé zavaró és hagyományosnak számító előre gyártott, feszített tartós felszer kezeti kialakítás nem jöhetett szóba. A lehetséges épí té si módokat megvizsgálva három építési alternatívát ha tá roztunk meg: betolt utófeszített vasbeton szekrénytartós gerendahíd, az autópálya űrszelvénye feletti állványzaton készített monolit vasbeton szekrénytartó, melyet az állvány eltávolítása után süllyesztenek a végleges szintjére, ortotrop pályalemezes, acél szekrénytartós gerendahíd. Az ilyen kis sugarú ívben fekvő hidaknál a csavaró igénybe vételek dominálnak, ezért mindhárom szerkezettípus zárt szekrény tartós keresztmetszetet javasolt. Az előnyökhátrányok elemzése után végül a harmadik megoldás, az ortotrop pályalemezes, acél gerendahíd került engedélyezési tervként kidolgozásra. A viszonylag rövid hídhossz nem tette gazdaságossá a feszített beton híd tolását, míg az autópálya sávjait áthidalni képes betonozási nehézállvány költsége sem volt versenyképes az acél alternatíváéval. A ki dolgozott engedélyezési tervek alapján 2007-ben a kiviteli tervek elkészültek, melyekre kiírta a magán megbízó a kivitelezői tendert. KIVITELI TERVEK A 2007-ben elkészült, a kiviteli tervekben szereplő acél híd felszerkezete ortotrop acél pályalemezes, egycellás szek rény keresztmetszetű gerendahíd (2., 3. kép). A keresztmetszet tel jes szélessége 13,23 m. A két oldalán ortotrop acél kon zo lokon elhelyezkedő üzemi járda található, melynek szé les sége 1,615 m, középen az 1,00 + 2 x 4,00 + 1,00 = = 10,0 m-es kocsipálya vezeti át a kétirányú forgalmat. A szerkezeti magasság 2,60 m. A szekrény keresztmetszet magassága középen 2384 mm, a gerincek tengelyében 2275 mm és 2493 mm. A pályalemez a szélessége 10 215 mm, a fenéklemez szélessége 5600 mm. A gerinclemezek ferde kialakításúak, az alsó öv lemezzel bezárt szögük 74 -os az alacsonyabb és 72 -os a magasabb oldalon. A gerinclemezek ferde magassága a magasabb oldalakon 2630 mm, az alacsonyabb oldalakon 2309 mm. A szekrényes szerkezetet a nyílásokban, a híd tengelyében mérve 4000 mm-re elhelyezett, sugárirányú kereszttartók merevítik. A kereszttartók a támaszoknál tömör kialakításúak, búvónyílással, a saruk és az ideiglenes alátámasztások vonalában erősen merevítettek. A saruk melletti merevítéssel a híd sajtókon történő megemelése biztosított, az esetleges későbbi sarucsere (vagy egyéb munkák) miatt. A közbenső támasznál a saruk egymás mellett lévő kereszttartókat támasztanak alá, itt az emelési helyet a támasz-kereszttartók között elhelyezett másodlagos kereszttartón alakítottuk ki, ez alatt külön oszlop helyezkedik el az ideiglenes emeléshez szükséges sajtók helyeként. A pályalemez alatt a kereszttartók gerincmagassága 700 950 mm között változik a főtartó gerincei felé kiékelve, a fenéklemezen és a főtartó gerinceken a kereszttartók ge- 64 Acélszerkezetek 2011/3. szám
1. kép: A helyszín madártávlatból: egyedi kötöttségek az M1 feletti híd létesítésére 2. kép: Engedélyezési és kiviteli terv szinten kidolgozott acél szekrénytartós változat keresztmetszete 3. kép: Acél szekrénytartós változat látványterve Acélszerkezetek 2011/3. szám 65
rince pedig 500 mm magas. A kereszttartókat övlemezekkel láttuk el. A felső lemez (pályalemez) 14,0 16,0 mm vastag. A pályalemezen a merevítőbordákat egymástól 300 mm-re helyeztük el. A merevítőbordák trapéz alakúak, a pályalemezben magasságuk 300 mm, a fenéklemezben, a járdalemez alatt és a gerinc oldalán 200 mm. A bordák lemezvastagsága a pályalemeznél 10 mm egyéb helyeken 8 mm. Az alsó lemez (fenéklemez) 12 mm 40 mm vastagság kö zött változik. A lemezen a merevítőbordákat egymástól 900 mm-re helyeztük el. A pályalemez keresztirányú esése 4% egy irányban. A hídon a közbenső pillér belső oldali saruját terveztük fixsarunak, a többi helyen mozgósarut alkalmaztunk. A műtárgy teherbírása az ÚT 2-3.401-2004 szerinti "A" osztályú. A felszerkezet kocsipálya-beosztása teljes szélesség 13,23 m szélesség beosztása 1,615 + 10,00 + 1,615 m hossza 86,98 m területe 1151 m 2 a felszerkezet magassága 2,51 m acél szerk. + 13 cm útpálya+szig. Szerkezeti acélok S 355 J0 MSZ-EN 10025 S 355 J2 MSZ-EN 10025 A kivitelezői tender eredménye után már a nyertes kivitelező kérésére újabb kiviteli terveket készítettünk. Tekintettel a már jóváhagyott kiviteli tervekre az alapvető geometriák, vagyis az átvezetett útpálya adatainak változatlanul hagyásával kerestük a nyertes kivitelező adottságaihoz legjobban illeszkedő szerkezeti kialakítást. Megvizsgáltuk a kéttámaszú, nagy nyílású hídszerkezetet, mely esetben el hagyható lett volna az üzemelő autópálya elválasztó sávjában történő közbenső támasz építése (4. kép). Végül az eredeti támaszkiosztás, szerkezeti magasság és csavarómerev szekrénytartós kialakítás megtartásával, mindössze az ortotrop pályalemez vasbetonra történő cseréjével változtak a kiviteli tervek. A híd főbb geometriai paraméterei az előző kiviteli tervvel azonosak maradtak, azonban a megnövekedett önsúly és az öszvérszerkezet építési, technológiai és a betonanyagból adódó karakterisztikája (időben változó anyagfizikai jellemzők figyelembevétele, berepedés a támasz felett, lassú alakváltozások) több számítási és építési nehézséget is hordozott. A kiviteli tervek készítése során megvizsgáltuk, hogy milyen előnyökkel járna a közbenső támasz fölötti alsó nyomott öv és egy, a szekrényben elrejtett vasbeton lemez együtt dolgoztatása csapok segítségével lásd a 6. képet. a kivitelezőkkel egyeztetve, technológiai okokból ezt a megoldást nem alkalmaztuk. STATIKAI MEGFONTOLÁSOK A híd íves vonalvezetése, az érintővel 46 -os szöget bezáró keresztezés miatt, továbbá hogy az M1 autó pálya közbenső sávjában csak ferde letámasztási lehetőség adódott, egy kellően csavarómerev szekrénytartó alkal mazását tette indokolttá. A megvalósult szekrénytartós híd együtt dol go zó vasbeton pályalemezzel készült. A szekrény tartó gerince és fenéklemeze ortotrop acélszerkezetes kialakí tású, hosszbordákkal és kereszttartókkal merevített. A felső együttdolgozó monolit vasbeton pályalemez az acél tartó felső övlemezén elhelyezett fejescsapok segítségével kapcsolódik az acéltartóhoz. A támaszköz és a magasság aránya jelen híd esetében 18.8, ami nem szokatlan, de nem is túlságosan merész többtámaszú gerendahidak viszonyla tában. Az acéltartó betonozás közben segédjármokkal megtámasztott mindkét gerinc mindkét nyílásban, azaz négy helyen kerül betonozás közben megtámasztásra. A pályalemez betonozása két irányban, a hídfőktől indulóan készült, egy ütemben végrehajtva. A belső támasz A tervezés során több alternatíva felmerült a belső megtámasztás kialakításánál, többek között a ferde megtámasztás lehetősége is, végül azonban elvetettük és három sugárirányú kereszttartót alkalmaztunk 7. kép, melyet a közbenső hídpillér három oszlopa támaszt alá. 4. kép: Nagy nyílású alternatíva: ívvel merevített szekrénytartó 66 Acélszerkezetek 2011/3. szám
5. kép: Megépült hídszerkezet acéltartóval együttdolgozó, vasbeton pályalemezes szekrénytartós keresztmetszete 6. kép: A közbenső megtámasztásnál elhelyezett, acélszerkezettel együttdolgozó, vasbeton lemez az alsó nyomott övnél (alternatíva) 7. kép: A saruk és az emelési helyek 8. kép: Jármok elhelyezése és a járomerők építési állapotban A három letámasztási pont közül a közbensőn került kialakításra a sarucsere biztosításához szükséges, ideiglenes emelési pont. A sarucseréhez 2 darab 1000 tonnás sajtó szinkronizált al kal mazása szükséges. A másik két kereszttartó átellenes végén alakították ki a végleges saruhelyet. A tervezés korai stádiumában megkíséreltük a hidat csak a belső ponton megtámasztani. Ez egy kisebb tömegű, belső alépítmény kialakítását tette volna lehetővé, egyoszlopos kialakítással, szemben a meg valósult három oszloppal. A belső támasznál a csavarási megfogás elhagyása keresztirányban túlságosan lágy szerkezetet eredményezett, mely az alakváltozási kritériu- Acélszerkezetek 2011/3. szám 67
mokat nem tudta teljesíteni, és a jelenleg is húzott hídfősaruk jelentősen nagyobb húzóerővel tudták volna csak a szükséges csavarónyomatékokat egyensúlyozni. Ezért ezt a verziót elvetettük. A belső saruk a végleges kialakítás szerint a homorú olda lon fix, a másik belső támasznál azonban teljesen szabad kialakítással készültek. A belső három támasz-kereszttartó a nagy terhelésükből kifolyólag a beton pályalemezhez együttdolgozó an kapcsolva, öszvérkialakítással készült. Szintén ugyanilyen konstrukció került alkalmazásra a végkereszttartóknál. Építéstechnológia A híd segédjármokon betonozva készült, ami kedvezőbb acélfelhasználást tett lehetővé, továbbá a tervezett alak biztosítása is kisebb kockázattal valósítható meg. A jármok kereszttartók alatt kerültek elhelyezésre, azonban az autópálya igényeihez igazodó geometriai kötöttségek következtében nem mindegyik került a statikai szempontból legoptimálisabb helyre. A jármok ugyancsak nem egy keresztmetszetben kerültek elhelyezésre a belső megtámasztáshoz hasonlóan, az M1 nyomvonalához igazodva, lásd 8. kép. Ez természetesen már az építési állapotban is jelentős csavaró igénybevételek fellépését eredményezi a főtartóban, amit az íves vonalvezetés tovább erősít. Ennek érdekében építési állapotban a kereszttartók között húzott pótátlós, felső szélrácsot és a kereszttartók vonalában egy felső keresztkötést helyeztünk el, ami a pályalemez megszilárdulása után eltávolítható volt (9. kép). A keresztkötés az előbb említetteken túl a zsaluzat megtámasztását is szolgálta egy további közbenső megtámasztás segítségével. Ez a szélrács és keresztkötés bezárta a nyitott szekrényt építési állapotban, ami ezáltal lényegesen kisebb alakváltozással 10. kép: A felszerkezet számításához alkalmazott VEM modell látványterve, belső '2'-es jelű támaszkörnyezet modellezése, és az alkalmazott nyírókapcsolat és fe szültségekkel tudta a rá ható terhelést egyensúlyozni, főként szabad csavarással. A szerelés tervezése során felmerült ötletként, hogy betonozási segédszerkezetként egy, az építési állapot ban betervezett, a szerkezetet merevítő, ideiglenes, füg gesz tő - mű ves kialakítást lásd a 11. képet alkalmazzuk, melyet a beton pályalemez megszilárdulása után elbontottak volna. Ez a koncepció kidolgozásra került, de végül lehetőség adódott olyan forgalomkorlátozási ütemek kialakítására, hogy alkalmazhatóvá vált a hagyományosnak mondható, betonozási segédjármos építési mód. 9. kép: A felszerkezet számításához alkalmazott VEM modell látványterve, építési állapot, a pályalemez megszilárdulását követően, az építési szélrács és ideiglenes felső átkötés eltávolításra kerül 11. kép: A tervezett ideiglenes függesztőműves kialakítás (alternatíva) 68 Acélszerkezetek 2011/3. szám
Számítási módszer A felszerkezet számításához SOFISTIK 23 általános térbeli végeselem programot alkalmaztunk. A program segítségével lehetőség van a változó statikai vázakon számított igénybevételek és feszültségek összegzésére. A szekrénytartóról héjelemes modellt készítettünk, mivel a csavarás és a shear lag hatásának a pontos figyelembevételére volt szükség, vagyis külön az együttdolgozó lemezszélességek számítását így nem kellett elvégezni. Építési állapotban a modell tartalmazza az ideiglenes szélrácsot és kereszttartót is. A pályalemezt a támaszok környezetében, a berepedés hatásának modellezése érdekében, csökkentett beton merevséggel vettük figyelembe. Ez utóbbi hatásnak a figyelembe vétele azért fontos, mivel az acéltartó ez esetben nagyobb terhelést szenved. Az alkalmazott SOFISTIKes számítás se gítségével lehetőség van továbbá az időben lejátszódó folyamatok kúszás, zsugorodás figyelembevételére és az építési szélrács ki- és bekapcsolására az egyes építési ütemeknek megfelelően. Az erőbevezetések lokális környezetének vizsgálatát a felszerkezet számításából nyert reakcióerők felhasználásával, az adott környezetről készített részletesebb héjmodell segítségével vizsgáltuk. Ezekhez a számításokhoz AXIS VM 9.0 általános térbeli VEM programot alkalmaztunk. A gerinclemez horpadásvizsgálatát ugyancsak AXIS VM 9.0 segítségével vizsgáltuk (12. kép). 14. kép: A szekrény keresztmetszet próbaillesztése A SZERKEZET MEGVALÓSÍTÁSA A híd generálkivitelezését a PORR Építési Kft. végezte, az acél szerkezetek gyártása az MCE Nyíregyháza Kft. üzemében ké szült. Gyártás Az íves alakú elemek gyártása nagy technológiai pontosságot igényelt. Az ívesre szabott övlemezekre felfektetett, hengerelt gerinclemezek alaktartásához folyamatos megtámasztást biztosító sablonok és segédszerkezetek készültek. A gyártóüzem padozatához rögzített segédszerkezetek tervezése a technológiai tervezés és a gyártmánytervező összhangját igényelte. A kivitelező a gyártmányterveken a szokásos mérteknél jóval több ellenőrző méretet (elem átlókat 12. kép: Belső szakaszon a 16 mm-es gerinclemez horpadási alakja és a hozzá tartozó kritikus teherfaktora. Az ábrán látható, hogy a hosszborda relatív lágy és részt vesz a horpadásban, viszont ennek figyelembevétele mellett a teljesen kimerevítő merevségű borda alkalmazása nem szükséges 15. kép: Az elemek szállítása a helyszínre 13. kép: A híd tervezője és a híd támaszkereszttartója a gyárban 16. kép: Az elemek emelése Acélszerkezetek 2011/3. szám 69
és kontrollméreteket) kért megadni. Végül az elkészült gyártási egységeket még a csarnokban próbaillesztették, és a helyszíni kapcsolatok méretre igazítását még gyáron be lül elvégezték. Ilyen előkészítés után már nem lehetett meg lepetés a helyszíni szerelés során. 17. kép: Az elemek emelése Szerelés A szerelési helyszín Magyarország egyik legforgalmasabb autópályája felett található. Az autópályának természetesen üzemelnie kellett, mindössze az elemek beemelésének idejére lehetett az aktuális hídrész alatt pár órás lezárást kapni, ezt is csak éjjel. A betonozási segédjármok helyének megfelelően kisebb sávszűkítésre nyílt lehetőség, azonban a helyszíni munkáknak az autópálya üzemének és területének tisz- 18. kép: A jármokkal alátámasztott acélszerkezet és a pályalemez zsaluzata 19. kép: Az acélszerkezet alulról és a zsaluzat 20. kép: Az építkezés légi felvétele 70 Acélszerkezetek 2011/3. szám
teletben tartásával kellett folynia. A kivitelezés helyszínén nem volt lehetőség szerelőtér kialakítására, a nyíregyházi üzemben a szállítójárműre elhelyezett szerkezeti egységek kerültek közvetlenül beemelésre. A közlekedési helyzet bonyolultságára jellemző, hogy az egyik hídfőtől a másikig való eljutás sokszor több kilométeres utat jelentett a korlátozott forgalmú, egyébként is bonyolult geometriájú, M0 M1 csomóponton keresztül. A gyártási szállítási C elemek beemelése után a hossz-, majd a keresztirányú varratok hegesztése következett. Ezek mindig az aktuális forgalomterelési ütemeknek megfelelően, az épp nem üzemelő sáv felett tudtak készülni. ÖSSZEFOGLALÁS A szerkezetkész híd üzembe helyezését sajnos a beruházás megakadása egyelőre hátráltatja. Ettől függetlenül a bonyolult geometriájú szerkezet elkészült és várja a befejező munkák elvégzését. Az öszvérhíd alakja a tervezettnek megfelelően készült el, a sarukra helyezett híd várja a munkák befejezését, a közúti forgalom megnyitását. Fotók: Speciálterv Kft. (Pál Gábor) 21. kép: A kész acélszerkezet az ideiglenes szélrácsokkal és keresztkötésekkel 22. kép: A kész hídszerkezet Acélszerkezetek 2011/3. szám 71